DE19925443A1 - Klimatisierung mit elektrischem Kompressor - Google Patents

Klimatisierung mit elektrischem Kompressor

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Abstract

Autarke Heizklimaanlage mit einer als Strom- und Wärmequelle dienenden Brennstoffzelle (1), die mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung (2) eines thermodynamischen Kreises (10) geschaltet ist, wobei ein der Brennstoffzelle (1) zugeordneter Kühlmittelkreis zumindest einen Nutzwärmetauscher (6, 8; 8, 15; 8, 17, 20) beaufschlagt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizklimaanlage für ein Fahrzeug.
Üblicherweise umfaßt eine Heizklimaanlage für ein Fahrzeug einen an den Motorkühlmittel­ kreis angeschlossenen Heizkreis und einen zu Kühlzwecken dienenden thermodynamischen Sekundärkreis, welcher über einen als Kühlkörper dienenden Verdampfer und einen Abwär­ metauscher verfügt.
In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Klimatisierung von Fahrzeugen ständig gestiegen. So ist bei heutigen Heizklimaanlagen für Fahrzeuge eine schnelle Ansprechzeit erforderlich, um unter nahezu allen Fahrzuständen eine ausreichende Heizleistung bereitzu­ stellen. Um dies zu erreichen, wurden in den letzten Jahren vielerorts Elektroheizer eingesetzt, die als sogenannte Nachheizer, z. B. in der Form eines PTC-Heizregisters, vorgesehen sind. Diese Elektroheizer wurden vereinzelt auch eingesetzt, um die Funktion einer Standheizung zu erfüllen.
Der zu Kühlzwecken dienende thermodynamische Sekundärkreis wird üblicherweise über einen mechanisch angetriebenen Kompressor betrieben, welcher das Kältefluid fördert und verdichtet. Um auch bei niedrigen Drehzahlen oder bei ausgeschaltetem Motor eine ausrei­ chende Kühlleistung bereitzustellen, wurden in den letzten Jahren auch elektrisch angetriebe­ ne Kompressoren vorgeschlagen, die üblicherweise für den Fahrzeuggenerator-Batteriekreis geschaltet sind.
Um das Bordnetz des Fahrzeuges nicht übermäßig zu beanspruchen, wurde es in diesem Zu­ sammenhang auch vorgeschlagen (interner Stand der Technik), einen elektrischen Antrieb des Kompressors über eine Brennstoffzelle zu realisieren.
Aus der EP 0 638 712 ist eine Möglichkeit bekannt geworden, wie eine Brennstoffzelle in einem fahrzeugseitigen Kühlmittelkreis integriert werden kann, um die von dem Fahrzeug bereitgestellte Heizleistung durch die Abwärme der Brennstoffzelle erhöhen zu können.
Keine der bisher bekannten Lösungen ermöglicht es jedoch in zufriedenstellender Weise, eine fahrzeugzustandsunabhängige Heizklimatisierung des Fahrzeuges bereitzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug anzuge­ ben, die bei hohem Wirkungsgrad eine zufriedenstellende Temperierung des Fahrzeuginnen­ raumes ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine autarke Heizklimaanlage anzugeben, die unabhängig von der Antriebsform des Fahrzeuges in dieses integriert werden kann, insbesondere als Nachrüstsatz für ein bestehendes Fahrzeug.
Erfindungsgemäß werden die obigen Aufgaben durch eine autarke Heizklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Insbesondere schlägt die Erfindung eine autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug vor, die eine als Strom- und Wärmequellen dienende Brennstoffzelle umfaßt, welche mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung eines thermodynamischen Kreises geschaltet ist, wobei ein der Brennstoffzelle zugeordneter Kühlmittelkreis zumindest einen Nutzwärmetauscher beauf­ schlagt. Anders ausgedrückt wird ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem vorgeschlagen, welches bei hohem Wirkungsgrad eine fahrzeugzustands- und -artunabhängige Temperierung ge­ währleistet. Nachdem derzeit verfügbare Brennstoffzellen üblicherweise mit deionisiertem Wasser gekühlt werden, insbesondere um einen Kurzschluß der Brennstoffzelle zu vermeiden, stellt die vorgeschlagene erfindungsgemäße Lösung ferner den Vorteil bereit, daß fluidtech­ nisch eine vollständige Entkopplung zu einem evtl. bestehenden Fahrzeugmotorkühlsystem bestehen kann.
Vorteilhafterweise umfaßt die Heizklimaanlage einen Abwärmetauscher, der optional von einem weiteren Fluid beaufschlagbar ist. Der Abwärmetauscher kann dazu dienen, eine über­ mäßige Erhitzung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Alternativ und/oder unterstützend kann der Abwärmetauscher auch bei erfolgender Kühlung dazu verwendet werden, die im Kälte­ kreis entstehende Wärme abzuführen. Um eine Bauteilreduzierung zu erreichen, kann der Abwärmetauscher von sowohl einem Fluid der Heizklimaanlage als auch von einem Fluid des Motorkühlsystemes des Fahrzeuges beaufschlagt werden, so daß bei gemeinsamer Ausnut­ zung der Lamellenstruktur ein reduzierter Einbaubedarf besteht.
Der Nutzwärmetauscher kann bei einer bevorzugten Ausführungsform als Wärmespeicher ausgebildet sein. Die Speicherung von nicht zur Temperierung des Fahrgastraumes erforderli­ cher Wärme ermöglicht es z. B. für einen Verbrennungsmotor, bereits in des Startphase ver­ besserte Betriebsparameter bereitzustellen. Der Wärmespeicher kann auch dazu verwendet werden, die Brennstoffzelle bei ausgeschalteter Heizklimaanlage auf Betriebstemperatur zu halten.
Vorteilhafterweise ist der bzw. einer der Nutzwärmetauscher ein zur Erwärmung von Luft dienender Heizkörper, welcher optional zusätzlich von einem weiteren Fluid, z. B. dem mo­ torseitigen Kühlmittel, beaufschlagbar ist. Beim Einsatz sog. Hochtemperaturbrennstoffzellen oder von Brennstoffzellen, die bei mittleren Temperaturen betrieben werden, kann somit die Abwärme der Brennstoffzelle unmittelbar zu Heizzwecken verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der bzw. einer der Nutzwärmetauscher ein Fluid/Fluidwärmetauscher oder ein Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher. Bei der Ausbildung als Fluid/Fluidwärmetauscher besteht somit die Möglichkeit, die Abwärme der Brennstoffzelle verlustarm in einen als Wärmepumpe ausgebildeten thermodynamischen Kreis zu speisen. Bei der Ausgestaltung als Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher besteht hingegen die Möglichkeit, in einfacher Weise eine Brennstoffzelle mit einem reversiblen thermodynamischen Kreis zu koppeln, welcher entweder als Wärmepumpenkreis oder als Kältekreis betrieben werden kann. Daher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der thermodynamische Kreis reversibel ausgebildet, z. B. indem die Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung reversibel ausgebildet ist. Alternativ kann die reversible Ausgestaltung des thermodynamischen Kreises auch durch entsprechende Stellelemente z. B. in der Form von mehreren Mehrwegeventilen erzielt wer­ den.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle mit einem Elektro­ heizer, insbesondere einem PTC-Heizregister, geschaltet. Beim Heizbetrieb kann somit die thermische Leistung der Brennstoffzelle zur Vorerwärmung von Luft verwendet werden, die anschließend über ein PTC-Heizregister auf die gewünschte Temperatur gebracht wird, wobei in dem PTC-Heizregister die von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte elektrische Lei­ stung teilweise genutzt werden kann.
Schließlich ist es bevorzugt, daß der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom zur Speisung un­ terschiedlichster Nebenaggregate, wie z. B. Lüftern, Steuerungen und Schaltelementen ver­ wendet wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten rein beispielhaften Beschreibung einiger derzeit bevorzugter rein illustrativer Ausführungsformen. Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich­ nungen, in welchen gilt:
Fig. 1 zeigt in Prinzipdarstellung eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen autarken Heizklimaanlage für ein Fahrzeug.
Fig. 2 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 eine zweite bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der thermodynamische Heizkreis reversibel ausgebildet ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen autarken Heiz­ klimaanlage in einer Ansicht ähnlich zu den Fig. 1 und 2, wobei der thermodynamische Kreis zwischen Kühlmodus und Heizmodus umschaltbar ist.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 1 ist eine autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug darge­ stellt. Die Heizklimaanlage umfaßt als Strom- und Wärmequelle eine Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 ist mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 eines thermody­ namischen Kreises 10 geschaltet. Der thermodynamische Kreis 10 umfaßt in üblicher Weise einen zur Kühlung dienenden Verdampfer 12, eine Entspannungseinrichtung 16 und einen Wärmetauscher 14. Der Verdampfer 12 und der Wärmetauscher 14 können optional mittels Lüftern 3, 4 beaufschlagt werden.
Die Brennstoffzelle 1 kann über zugeordnete Kühlmittelkreise selektiv einen zu Heizzwecken dienenden Wärmetauscher 6 und/oder einen Abwärmetauscher 8 beaufschlagen. Der Abwär­ metauscher 8 kann optional auch als Wärmespeicher ausgebildet sein. Wie durch die gestri­ chelten Linien dargestellt, können sowohl der Nutzwärmetauscher 6 als auch der Abwärme­ tauscher 8 als Schnittstellen zu einem motorseitigen Kühlmittelkreis dienen. Schließlich ist die Brennstoffzelle 1 noch mit einem Elektroheizer 5, in der dargestellten Ausführungsform in der Form eines PTC-Heizregisters, geschaltet.
Im folgenden sollen kurz die unterschiedlichen Betriebsmodi der autarken Heizklimaanlage für ein Fahrzeug gemäß der dargestellten Ausführungsform skizziert werden:
Wenn zur Temperierung des Fahrgastinnenraumes Heizleistung erforderlich ist, wird die Brennstoffzelle aus einem nicht dargestellten Reservoir mit Brennstoff versorgt und erzeugt Strom und Wärme. Die erzeugte Wärme kann über den Wärmetauscher 6 an durch den Lüfter 3 beaufschlagte Luft übertragen werden. Die aus dem Wärmetauscher 6 austretende leicht vorerwärmte Luft wird dann über das von der Brennstoffzelle 1 versorgte PTC-Heizregister 5 auf die gewünschte Temperatur gebracht.
Wenn eine Abkühlung des Fahrzeuginnenraumes gewünscht wird, so wird der von der Brenn­ stoffzelle 1 bereitgestellte Strom zum Antreiben des Verdichters 2 des thermodynamischen Kreises 10 verwendet. Somit wird an dem Verdampfer 12 die zur Temperierung des Fahrzeu­ ginnenraumes erforderliche Kälteleistung zur Verfügung gestellt. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme der Brennstoffzelle 1 wird dann beispielsweise für einen sog. Reheat- Betrieb oder für die Temperierung entweder der Brennstoffzelle oder eines anderen Fahrzeug­ antriebsaggregates in dem Wärmespeicher 8 gespeichert. In der dargestellten Ausführungs­ form ist der Wärmespeicher 8 zusätzlich mit einer Wärmetauscherfunktion versehen, um im Bedarfsfall Wärme an die Umgebungsluft abgeben zu können, sollte die Brennstoffzelle zu heiß werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform dient wiederum eine Brennstoffzelle 1 als Strom- und Wärmequelle. Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Brenn­ stoffzelle 1 zum Antreiben einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 eines thermody­ namischen Kreises 10 geschaltet. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist jedoch der thermodynamische Kreis 10 reversibel ausgebildet. Demzufolge kann der ther­ modynamische Kreis 10 einmal in klassischer Weise als Kältekreis dienen und alternativ im Heizbetrieb als Wärmepumpe fungieren. Um beide Funktionen erfüllen zu können, ist ein Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 vorgesehen, der im Kühlbetrieb Wärme von dem thermo­ dynamischen Kreis 10 abführen kann und im Heizbetrieb Wärme von dem Kühlkreis der Brennstoffzelle 1 zu dem thermodynamischen Kreis 10 übertragen kann.
Wie bei der vorangegangenen Ausführungsform kann zusätzlich ein Wärmespeicher und/oder -tauscher 8 von der Brennstoffzelle 1 beaufschlagt werden. Ferner kann wie auch bei der vor­ angegangenen Ausführungsform ein PTC-Heizregister 5 als Nachheizeinrichtung vorgesehen sein. Neben der Verschaltung mit der Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 des ther­ modynamischen Kreises 10 und dem PTC-Heizregister 5 können auch weitere elektronische oder elektrische Aggregate von der Brennstoffzelle 1 versorgt werden, wie z. B. die darge­ stellten Lüfter 3, 4.
Wenn nun zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes Wärme erforderlich ist, wird die Brennstoffzelle 1 mit Brennstoff versorgt, um die Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 in solch einer Weise zu beaufschlagen, daß der thermodynamische Kreis 10 in der Art einer Wärmepumpe wirkt. Als niedriges Temperaturniveau für den thermodynamischen Kreis 10 wird der Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 mit Kühlmittel aus der Brennstoffzelle 1 beauf­ schlagt. An dem Wärmetauscher 12 steht dann entsprechend die von der Brennstoffzelle be­ reitgestellte Heizleistung bei einem höheren Temperaturniveau zur Erwärmung der durchtre­ tenden Luft bereit, welche anschließend optional über das PTC-Heizregister 5 noch weiter erwärmt werden kann.
Im Kühlbetrieb wird die Brennstoffzelle 1 den Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 nicht beauf­ schlagen. Vielmehr wird der Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 in üblicher Weise Abwärme aus dem thermodynamischen Kreis 10 an die Umgebungsluft abgeben. Um eine Überhitzung zu vermeiden und um die Abwärme der Brennstoffzelle auch im Kühlmodus nutzen zu kön­ nen, ist wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ein Wärmespeicher und/oder Wär­ metauscher 8 vorgesehen, in dem im Kühlmodus Wärme gespeichert bzw. im Bedarfsfall an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
In Fig. 3 ist schließlich eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen au­ tarken Heizklimaanlage dargestellt, welche im wesentlichen die Konzepte der ersten beiden Ausführungsformen miteinander kombiniert, wobei zusätzlich der thermodynamische Kreis 10 verzweigt ausgebildet ist, um selektiv für den Heiz- bzw. Kühlmodus schaltbar zu sein.
Im Gegensatz zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist anstelle des Fluid/Fluid/Luftwärmetauschers ein Fluid/Fluidwärmetauscher 17 vorgesehen. Zur Temperie­ rung der in den Fahrgastraum zu leitenden Luft dient bei dieser Ausführungsform ein kombi­ nierter Wärmetauscher/Verdampfer 20. Um den thermodynamischen Kreis 10 zwischen Kühl- und Heizmodus umschalten zu können, sind bei der gezeigten Ausführungsform zwei Drei­ wegeventile vorgesehen, die entsprechend den Temperierungsanforderungen geschaltet wer­ den können.
Wenn die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform zum Heizen verwendet wird, so werden die Stellventile 18, 19 derart geschaltet, daß das Fluid des thermodynamischen Kreises 10 nur die Wärmetauscher 17 und 20 beaufschlagt, während im Kühlmodus ausschließlich die Wärme­ tauscher 20, 14 beaufschlagt werden.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform kann somit im Heizmodus die Abwärme der Brennstoffzelle 1 direkt im Wärmetauscher 20 genutzt werden mit einer alternativen oder un­ terstützenden Lufterwärmung über den als Wärmepumpe dienenden thermodynamischen Kreis 10 mit einer anschließenden Enderwärmung über ein PTC-Heizregister 5. Im Kühlmo­ dus wird die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform analog zu der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh­ rungsform betrieben.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorliegende Erfindung eine fahrzeugzustands­ unabhängige autarke Heizklimaanlage bereitstellt. Die erfindungsgemäße Heizklimaanlage kann optional mit dem Kühlmittelkreis des Fahrzeuges kombiniert werden, um die Anzahl an erforderlichen Wärmetauschern zu minimieren. In jedem Fall wird durch die kombinierte Ausnutzung von durch die Brennstoffzelle erzeugtem Strom und Wärme eine deutliche Wir­ kungsgradsteigerung erzielt. Bei Speicherung von überschüssiger oder nicht benötigter Wär­ me der Brennstoffzelle kann ein optimiertes Startverhalten von sowohl der Brennstoffzelle als auch dem Gesamtfahrzeug mittels Reheat-Betrieb erzielt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung im vorangegangenen vollständig unter Bezugnahme auf einige derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte der Fachmann erken­ nen, daß verschiedenste Veränderungen und Modifikationen im Rahmen der beigefügten An­ sprüche möglich sind. Insbesondere ist zu erwähnen, daß einzelne Merkmale einzelner Aus­ führungsformen beliebig mit anderen Merkmalen anderer Ausführungsformen kombinierbar sind.

Claims (8)

1. Autarke Heizklimaanlage mit einer als Strom- und Wärmequelle dienenden Brennstoff­ zelle (1), die mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung (2) eines thermodynami­ schen Kreises (10) geschaltet ist, wobei ein der Brennstoffzelle (1) zugeordneter Kühl­ mittelkreis zumindest einen Nutzwärmetauscher (6, 8; 8, 15; 8, 17, 20) beaufschlagt.
2. Heizklimaanlage nach Anspruch 1 mit einem Abwärmetauscher (8, 14; 8, 15), der optional von zumindest einem weiteren Fluid beaufschlagbar ist.
3. Heizklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein Nutzwärmetauscher (6, 8; 8, 15; 8, 17, 20) als Wärmespeicher (8) ausgebildet ist.
4. Heizklimaanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher ein Nutzwär­ metauscher (6, 8; 8, 15; 8, 17, 20) ein zur Erwärmung von Luft dienender Heizkörper (6, 12, 20) ist, der optional zusätzlich von zumindest einem weiteren Fluid beaufschlagbar ist.
5. Heizklimaanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher ein Nutzwär­ metauscher (6, 8; 8, 15; 8, 17, 20) ein Fluid/Fluid/Wärmetauscher (17) oder ein Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher (15) ist.
6. Heizklimaanlage nach Anspruch 5, bei welcher der thermodynamische Kreis 10 reversibel ausgebildet ist.
7. Heizklimaanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher die Brenn­ stoffzelle (1) mit einem Elektroheizer (5), insbesondere einem PTC-Heizer (5), geschaltet ist.
8. Heizklimaanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher die Brenn­ stoffzelle (1) mit weiteren elektrischen Aggregaten, insbesondere mit Lüftern (3, 4), ge­ schaltet ist.
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